Конспект лекцій - Електротехнічні матеріали

Подождите немного. Документ загружается.

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ III. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

лення супроводжується встановленням динамічної рівноваги між процесами

утворення додаткових носіїв заряду і їхньої рекомбінації.

Зі зменшенням температури фотопровідність збільшується у зв'язку зі зме-

ншенням концентрації теплових носіїв заряду й зменшенням імовірності ре-

комбінації носіїв заряду напівпровідника, що утворюються в результаті осві-

тлення.

3.5 Ефект Холла

Цей ефект належить до гальваномагнітних ефектів, тобто до тих фізичних

явищ, які виникають у напівпровіднику при одночасному впливі на нього

електричного й магнітного полів. Якщо напівпровідник, уздовж якого тече

електричний струм, помістити в магнітне поле, перпендикулярне до напрям-

ку струму, то в напівпровіднику виникне поперечне електричне поле, перпе-

ндикулярне до струму й магнітного поля. Це явище одержало назву ефекту

Холла, а виникаюча поперечна е.р.с. - е.р.с. Холла (рис.3.8).

Рис.3.7 - Виникнення ефекту Холла в напівпровідниках

Поява е.р.с. Холла обумовлена тим, що на носії заряду, які рухаються зі шви-

дкістю v, у магнітному полі з індукцією В, діє сила Лоренца, що відхиляє їх

до однієї з бічних граней пластини.

Для напівпровідника n-типу умову рівноваги діючої на електрон сили в ска-

лярній формі запишемо у вигляді

EqBvq ***

(3.21)

де v

- середня швидкість спрямованого руху електрона;

В - магнітна індукція в зразку;

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 13 з 19

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ III. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

– напруженість поперечного електричного поля, яке виникнуло.

Вважаючи поперечне електричне поле однорідним, одержимо

*а = U

(3.22)

де а – ширина пластини; U

– е.р.с. Хола.

Щільність струму, що протікає в зразку під дією зовнішнього електричного

поля, дорівнює

vnqEnqj *****

(3.23)

Використовуючи (3.23), з (3.21) одержимо

BjRnqBjE

**)*/(*

(3.24)

де R

=1/(q*n) – називається коефіцієнтом Холла.

У напівпровіднику n-типу е.р.с. Холла визначається за формулою

*−=

(3.25)

де b - товщина пластини.

Знак мінус вказує на те, що носіями заряду в даному напівпровіднику є елек-

трони. Для напівпровідників р - типу вираз має аналогічний вигляд, тільки

е.р.с. Холла буде позитивною. Ця обставина використовується для визначен-

ня типу електропровідності в напівпровіднику.

Рівняння (3.25) справедливо тільки для вироджених напівпровідників, коли

можна не враховувати розподіл носіїв заряду за швидкостями. Більш точне

вираження R

буде відрізнятися від наявного у рівнянні (3.25) множником А.

Для різних напівпровідників чисельне значення А змінюється залежно від

механізму розсіювання при різних температурах від 1 до 2.

Вимірявши е.р.с. Холла в деякому діапазоні температур, можна одержати

експериментальні дані для побудови залежності концентрації носіїв заряду

від температури, за якою визначити енергію іонізації донорів або акцепторів.

Лектор Дон Н.Л. стор. 14 з 19

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ III. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

3.6 Вплив деформацій на провідність напівпровідників

Провідність

твердого кристалічного тіла змінюється при впливі на нього рі-

зного виду деформацій у зв'язку зі зміною міжатомних відстаней і зміни кон-

центрації і рухливості носіїв заряду.

Концентрація

змінюється внаслідок зміни ширини енергетичних зон напів-

провідника й зсуву домішкових рівнів, що приводить, у свою чергу, до змі-

ни енергії активації носіїв заряду й, отже, до зменшення або збільшення кон-

центрації.

Рухливість

змінюється через збільшення або зменшення амплітуди коливань

атомів при їхньому зближенні або віддаленні.

Величиною, що чисельно характеризує зміну питомої провідності напівпро-

відника при певному виді деформації, є тензочутливість

(3.26)

яка є відношенням відносної зміни питомого опору до відносної деформації в

даному напрямку.

3.7 Прості напівпровідники

Одним з найбільш вивчених напівпровідникових матеріалів є германій, існу-

вання якого передбачив Д.І. Менделєєв у 1870 році.

Чистий германій має металевий блиск, характеризується високою твердістю

і крихкістю. Температура його плавлення становить 937

С , щільність при

температурі 25

С складає 5,33. У твердому стані германій є типовим ковален-

тним кристалом.

Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі.

Роздрібнений у порошок при нагріванні на повітрі до температури ≈ 700

він легко утворює діоксид германію GeО

. Германій слабко розчинний у во-

ді й практично не розчинний в соляній і розведеній сірчаній кислоті. Актив-

ним розчинником германію в нормальних умовах є суміш азотної й плавико-

Лектор Дон Н.Л. стор. 15 з 19

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ III. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 16 з 19

вої кислот і розчин перекису водню. При нагріванні германій інтенсивно вза-

ємодіє з галогенами, сіркою і сірчанокислими з'єднаннями.

Германій, який застосовується у напівпровідникових приладах, має питомий

опір від мільйонних часток Ом*м до значень, близьких до питомого опору

власного германію. На електричні властивості германію сильний вплив ро-

бить режим термообробки. Якщо зразок германію n-типу нагріти до темпера-

тури порядку 550

С, а потім різко остудити, то відбудеться зміна типу елект-

ропровідності. Аналогічна термообробка германію р-типу приводить до зме-

ншення питомого опору, без зміни типу електропровідності. Відпал загарто-

ваних зразків при температурі 500-550

С відновлює не тільки тип електро-

провідності, але й первісний питомий опір. При розплавленні германія його

питомий опір стає близьким до питомого опору рідких металів.

Застосовують германій для виготовлення діодів, датчиків Холу, тензодатчи-

ків, фото діодів, модуляторів світла, оптичних фільтрів і т.д.

Кремній є одним з найпоширеніших матеріалів у земній корі (близько 29%).

Але у вільному стані в природі він не зустрічається, а є присутнім тільки в

з'єднаннях у вигляді окисла й у солях кремнієвих кислот. Технічний крем-

ній, який одержують шляхом відновлення природного діоксиду SiО

(крем-

незем) в електричній дузі між графітовими електродами, містить близько 1 %

домішок і як напівпровідник використовуватися не може. Він є вихідною си-

ровиною для одержання кремнію напівпровідникової чистоти, в якому вміст

домішок не повинне перевищувати 10

-6

Об'ємні кристали кремнію одержують шляхом вирощування з розплаву й

при безтигельній вертикальній зонній плавці. Перший метод застосовують

для одержання великих монокристалів з відносно невеликим питомим опо-

ром (< 2.5 Ом*м). Другий метод використовують для одержання високоом-

них монокристалів кремнію з малим вмістом залишкових домішок. Кристали

кремнію n- і p-типу одержують шляхом введення при вирощуванні відповід-

них домішок, серед яких найбільш часто використовують фосфор і бор.

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ III. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 17 з 19

Питомий опір кремнію змінюється в широких межах залежно від концентра-

ції в ньому домішок. Завдяки більш широкій забороненій зоні власний пито-

мий опір кремнію більш ніж на три порядки перевершує власний питомий

опір германію. При плавленні кремнію трохи збільшується його густина (на

8%) і стрибкоподібно зменшується питомий опір (в 30 разів). У розплавлено-

му стані кремній має питомий опір порядку 10

-4

Ом*м і поводиться подібно

до рідких металів.

У наш час кремній є базовим матеріалом напівпровідникової техніки. Він ви-

користовується для створення інтегральних мікросхем, різного типу діодів,

польових транзисторів, стабілітронів, тиристорів, фотоелементів сонячних

батарей і т.д.

Карбід кремнію є єдиним бінарним з'єднанням, утвореним напівпровіднико-

вими елементами IV групи таблиці Менделєєва. Це напівпровідниковий ма-

теріал з великою шириною забороненої зони (2, 8-3,1 еВ).Застосовується для

виготовлення напівпровідникових приладів, що працюють при високих тем-

пературах (до 700

С).

Кристали карбіду кремнію напівпровідникової чистоти одержують методом

сублімації в печах із графітовими нагрівачами й екранами. Процес кристалі-

зації проводять в атмосфері аргону при температурі 2400-2600

С. Карбід

кремнію є одним з найбільш твердих речовин, він стійкий проти окислюван-

ня до температур понад 1400

С. При кімнатній температурі карбід кремнію

не реагує ні з якими кислотами.

Електропровідність кристалів карбіду кремнію при нормальній температурі

домішкова. Тип електропровідності й фарбування кристалів карбіду кремнію

залежать від сторонніх домішок. Чистий карбід кремнію безбарвний. Доміш-

ки V групи (N, P, As, Sb, Bi) і заліза дають зелене фарбування і електропрові-

дність n-типу, а елементи II групи (Ca, Mg) і III групи (B, Al, Ga, In) - блакит-

не й фіолетове фарбування і електропровідність р-типа. Надлишок Si приво-

дить до електронної електропровідності Si, а надлишок С - до діркової.

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ III. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 18 з 19

Застосовується карбід кремнію для виготовлення варисторів, світлодіодів,

високотемпературних діодів, транзисторів, терморезисторів, лічильників час-

ток високої енергії здатних працювати в хімічно агресивних середовищах.

3.8 Бінарні з'єднання

Серед бінарних з'єднань практичне застосування одержали з'єднання А

III

, A

Напівпровідникові з'єднання А

III

утворюються в результаті взаємодії еле-

ментів III-б підгрупи періодичної таблиці (бору, алюмінію, галію, індію) з

елементами V-б підгрупи (азотом, фосфором, миш'яком, сурмою). З'єднання

III

прийнято класифікувати за металоїдним елементом. Відповідно розрі-

зняють нітриди, фосфіди, арсеніди й антимоніди. Одержують ці з'єднання

або з розплаву, що містить елементи в рівних атомних концентраціях або з

розчину з'єднання, що має в надлишку елементи III групи, а також з газової

фази.

Кристали антимонідів, арсенідів галію та індію, як правило, вирощують з

розплаву витягуванням на запал з-під інертного газу. Шар рідкого флюсу, що

перебуває під тиском інертного газу, забезпечує повну герметизацію тигля й

придушує випар летучих компонентів з розплаву. Однак монокристали,

отримані з розплаву, мають недостатню високу хімічну чистоту й потребу-

ють додаткового очищення.

Особливе положення серед з'єднань А

III

займає арсенід галію. Більша ши-

рина забороненої зони, висока рухливість електронів дозволяють створювати

на його основі прилади, які працюють на високих частотах і при високих те-

мпературах. Він використовується для виготовлення світлодіодів, тунельних

діодів, діодів Ганна, сонячних батарей і т.д.

Антимонід індію має дуже малу ширину забороненої зони й дуже високу ру-

хливість електронів. Застосовується для виготовлення детекторів в інфрачер-

воній області спектра, датчиків Холла, термоелектричних генераторів, тензо-

метрів і т.д.

Херсонський національний технічний університет

Кафедра енергетики та електротехніки

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Розділ III. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 19 з 19

Фосфід галію, що має велику ширину забороненої зони, широко застосову-

ється для виготовлення світлодіодів.

Антимонід галію відрізняється від інших з'єднань групи A

III

високою чут-

ливістю до механічних напружень. Так, при впливі на зразок тиску його пи-

томий опір збільшується у два рази. Завдяки високій чутливості до механіч-

них деформацій антимонід галію використовується для виготовлення тензо-

метрів.

До напівпровідникових з'єднань A

відносять халькогеніди цинку, кадмію,

ртуті. Широкозонні напівпровідники A

мають високу температуру пла-

влення й високий тиск дисоціації в точці плавлення. Застосовують їх для ви-

готовлення люмінофорів, фоторезисторів, датчиків Холла, приймачів інфра-

червоного випромінювання.

Література [1.с. 231-267]

Контрольні запитання

1. Пояснити, які матеріали називаються напівпровідниковими.

Перелічіть основні властивості напівпровідникових матеріалів.

Укажіть, які енергетичні зони існують у напівпровідникових матеріалах.

Поясніть, що таке власний, домішковий і компенсований напівпровідник.

Перелічіть носії заряду, які забезпечують електропровідність напівпровідників.

Перелічить зовнішні фактори, які впливають на електропровідність напівпровідни-

ків.

Поясніть причини виникнення термоелектричних явищ у напівпровідниках.

Поясніть методику визначення типу провідності в напівпровідниках.

Поясніть у чому полягає ефект Холла і при яких умовах він виникає.

10.

Перелічіть особливості режимів роботи p-n переходу.

11.

Перелічіть, які матеріали застосовуються для виготовлення светлодіодів.

12.

Перелічіть основні технологічні операції, які застосовуються у виробництві напів-

провідників.

13.

Поясніть, у чому полягає ефект Томпсона.

14.

.Опишіть процес фотопровідності в напівпровідниках.

15.

Поясніть, у чому полягає ефект Пельт’є.

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ IV. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 1 з 16

1. Класифікація речовин за магнітними властивостями

2. Феромагнетики. Процеси при намагнічуванні феромагнетиків

3. Магнітні втрати

4. Вплив температури на магнітні властивості феромагнетиків

5. Магнітом’які й магнітотверді матеріали

Кожна речовина при приміщенні її в магнітне поле здобуває деякий магніт-

ний момент М. Магнітний момент одиниці об'єму речовини називають на-

магніченістю:

= M/V

(4.1)

При нерівномірному намагнічуванні речовини J

= d М/ dV.

Намагніченість є векторною величиною. В ізотропних речовинах вона спря-

мована паралельно або антипаралельно напруженості магнітного поля. У си-

стемі СІ намагніченість виражається в одиницях напруженості магнітного

поля (А/м).

З напруженістю магнітного поля намагніченість зв'язана співвідношенням

= k H

(4.2)

де k – безрозмірна величина, що характеризує здатність речовини намагнічу-

ватися в магнітному полі й називається магнітною сприйнятливістю. Вона

чисельно дорівнює намагніченості при одиничній напруженості поля.

Намагнічене тіло, що перебуває в зовнішньому полі, створює власне поле,

яке в ізотропних матеріалах спрямоване паралельно або антипаралельно зов-

нішньому полю. У зв'язку з цим магнітна індукція в речовині визначається

алгебраїчною сумою індукції зовнішнього й власного полів:

Mooio

JHBBB

(4.3)

де - магнітна постійна в системі СІ.

мГн

/104

7−

π=μ

Підставивши значення намагніченості в рівняння (4.3), одержимо

HkHB

μμ=+μ= )1(

(4.4)

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ IV. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 2 з 16

де - відносна магнітна проникність, що показує, в скільки разів магнітна

індукція поля в даному середовищі більша, ніж магнітна індукція у вакуумі.

Причиною магнітних властивостей речовини є внутрішні сховані форми руху

електричних зарядів, що являють собою елементарні кругові струми, які во-

лодіють магнітними моментами. Такими струмами є електронні спіни й орбі-

тальне обертання електронів в атомах. Магнітні моменти протонів і нейтро-

нів у багато разів менше магнітного моменту електрона. Тому магнітні влас-

тивості речовини повністю визначаються електронами.

2.1 Класифікація речовин за магнітними властивостями

Всі речовини за реакцією на вплив зовнішнього магнітного поля можна роз-

ділити на наступні групи:

9 діамагнетики,

9 парамагнетики,

9 феромагнетики,

9 антиферомагнетики

9 феримагнетіки.

До діамагнетиків відносяться речовини, в яких магнітна сприйнятливість

негативна й не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. Діа-

магнітний ефект обумовлений незначною зміною кутової швидкості орбіта-

льного обертання електронів. Якщо електронну орбіту розглядати як замкну-

тий контур, який не володіє активним опором, то під дією зовнішнього поля

в цьому контурі змінюється сила струму й виникає додатковий магнітний

момент. Відповідно до закону Ленца цей момент спрямований назустріч зов-

нішньому полю. У тому випадку, коли площина електронної орбіти розта-

шована не перпендикулярно до вектора Н, то зовнішнє магнітне поле викли-

кає прецесійний рух орбіти навколо напрямку Н. При цьому вектор орбіталь-

ного магнітного моменту описує конус. Кутова швидкість прецесії визначає

значення негативного магнітного моменту

. Діамагнітний ефект має мі-

сце у всіх речовинах, але виступає на перший план у тих випадках, коли

Херсонський національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ. Курс лекцій

Кафедра енергетики та електротехніки

Розділ IV. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ

власний момент атомів дорівнює нулю, тобто спінові магнітні моменти попа-

рно скомпенсовані.

Чисельне значення магнітної сприйнятливості діамагнетиків становить – (10

-10

-7

). Відносна магнітна проникність цих речовин незначно відрізняється

від одиниці . Зовнішнім проявом діамагнітного ефекту є виштовхування

цих речовин з неоднорідного магнітного поля.

1∠μ

Рис.4.1- Прецесія електронних орбіт під

дією магнітного поля.

До діамагнетиків належать інертні гази, водень, азот, вода, мідь, срібло, зо-

лото, цинк, ртуть і т.д. Діамагнетиками є також речовини в надпровідному

стані.

До парамагнетиків відносяться речовини з позитивною магнітною сприйня-

тливістю, що не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. У

парамагнетиках атоми мають елементарні магнітні моменти навіть при від-

сутності зовнішнього магнітного поля, однак через тепловий рух ці магнітні

моменти розподілені хаотично, в результаті чого намагніченість речовини в

цілому дорівнює нулю. Зовнішнє магнітне поле викликає переважну орієнта-

цію магнітних моментів атомів в одному напрямку, але теплова енергія про-

тидіє створенню магнітної впорядкованості. У зв'язку з цим парамагнітна

сприйнятливість сильно залежить від температури. При нормальній темпера-

турі магнітна сприйнятливість парамагнетиків дорівнює 10

-3

– 10

-6

. Тому їхня

магнітна проникність незначно відрізняється від одиниці ( ). Завдяки по-

1〉μ

Факультет машинобудування 6.051001. Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

Лектор Дон Н.Л. стор. 3 з 16